核磁共振及应用

1、核磁共振(h c n zhn)技术及其应用2011.04.07姜伟奇学院(xuyun)：化工学院(xuyun)学号：10103004共二十八页1924年泡利提出核自旋的假设-实验证实。1932年，发现中子后，认识到：核自旋是质子自旋与中子自旋之和。核磁矩：质子数和中子数两者或其一为奇数时，核才有非零的核磁矩产生核磁共振.核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR) 是指自旋磁矩不为零的原子核，在外磁场中，其核能级将发生分裂。若再有一定(ydng)频率的电磁波作用于它，分裂后的核能级之间将发生共振跃迁的现象。概 述 核磁共振(h c n zhn)技术及其应用共二十八页

2、核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ，由于其可深入物质内部而不破坏样品 ，并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用 ，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科 ，在科研和生产(shngchn)中发挥了巨大作用 。核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。 核磁共振技术(jsh)及其应用共二十八页12位因对核磁共振(h c n zhn)的杰出贡献而获得诺贝尔奖科学家 1944年 I.Rabi 195

3、2年 F.Block 1952年 E.M.Purcell 1955年 W.E.Lamb 1955年 P.Kusch 1964年 C.H.Townes 1966年 A.Kastler 1977年 J.H.Van Vleck 1981年 N.Bloembergen 1983年 H.Taube 1989年 N.F.Ramsey 1991年 R.R.Ernst 核磁共振(h c n zhn)技术及其应用共二十八页核磁共振(h c n zhn)基本原理原子核 带正电荷的粒子当它的质量数和原子序数有一个(y )是奇数时，它就和电子一样有自旋运动，产生磁矩11H， 136C，199F 和 3115P 有自旋

4、现象，126C 和 168O 没有自旋现象 核磁共振技术及其应用（非自旋的球体）共二十八页磁矩 ，具有方向性，是一个矢量 = h I / 2 旋磁比 I 自旋(z xun)量子数 h Plank常数 核磁共振(h c n zhn)技术及其应用1H 自旋量子数( I ) 1/2没有外磁场时，其自旋磁矩取向是混乱的在外磁场B0中，它的取向分为两种(2I+1=2)一种和磁场方向相反，能量较高(E=B0)一种和磁场方向平行，能量较低( E= B0)共二十八页I=1/2的原子核在外磁场(cchng)B0中塞曼分裂图：半数以上的原子核自旋不为0，旋转时产生一小磁场。当加一外磁场，这些(zhxi)原子核的能

5、级将分裂，即塞曼效应。 核磁共振技术及其应用共二十八页两种取向(q xin)的能量差E可表示为: 核磁共振技术(jsh)及其应用为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候h=E ，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，则处于低能级的核吸收射频能量而跃迁到高能级，即由一种取向（+1/2)变成另一种取向（-1/2）,这种现象称为核磁共振。共二十八页 核磁共振(h c n z

6、hn)技术及其应用实现(shxin)核磁共振的两种方法共振条件： = 0 = 0a扫场法: 改变0b扫频法: 改变共二十八页核磁共振(h c n zhn)表 核磁共振(h c n zhn)技术及其应用1H：氢谱，常用1HNMR表示13C：碳谱，常用13CNMR表示共二十八页化学(huxu)位移 化学(huxu)环境峰面积质子数核磁共振谱 核磁共振技术及其应用共二十八页化学位移（chemical shift）由于有机分子中各种质子受到不同程度的屏蔽效应，因此在核磁共振谱的不同位置上出现吸收峰。同一种核在分子中因所处的化学环境不同，使共振频率发生(fshng)位移的现象。化学(huxu)位移核磁共

7、振技术及其应用 化学位移产生的原因是分子中运动的电子在外磁场下对核产生的磁屏蔽。屏蔽作用的大小可用屏蔽因子来表示。一般来说屏蔽因子 是一个二阶张量，只有在液体中由于分子的快速翻滚，化学位移的各向异性被平均，屏蔽因子才表现为一常量。 化学位移的大小受邻近基团的电负性、磁各向异性、芳环环流、溶剂、pH值、氢键等许多因素的影响。共二十八页 核磁共振技术(jsh)及其应用峰面积(min j)与氢原子数目 在核磁共振谱图中，每一组吸收峰都代表一种氢，每种共振峰所包含的面积是不同的，其面积之比恰好是各种氢原子数之比。如乙醇中有三种氢其谱图为：TMS 故核磁共振谱不仅揭示了各种不同H的化学位移，并且表示了各

8、种不同氢的数目。 1个H2个H3个H共二十八页吸收峰数 多少(dusho)种不同化学环境质子峰的位置 质子类型峰的面积 每种质子数目 核磁共振技术(jsh)及其应用共二十八页峰的分裂(fnli)和自旋耦合 核磁共振技术(jsh)及其应用 每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。原因：相邻两个氢核之间的自旋耦合（自旋干扰）；共二十八页峰的分裂(fnli)和自旋耦合 核自旋与核自旋之间通过分子中各个轨道上的电子间接(jin ji)的相互作用称为自旋自旋耦合 耦合作用的结果，使谱线发生分裂 有自旋不等于0的核，由于自旋耦合，可导致能级进一步劈裂，能级间跃迁复杂化，故共振谱线出现多重性。 耦合的存在，提供

9、了被测核相互位置及空间关系的重要信息。是进行微观结构分析，尤其是确证分子构型构象的有用数据。 核磁共振技术及其应用共二十八页弛豫过程可分为两种类型：自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。弛豫时间是反映物质(wzh)相互作用的重要参数。根据弛豫时间的变化，可以研究相变、扩散和电子结构等问题。核的自旋(z xun)弛豫弛豫过程：由激发态恢复到平衡态的过程 核磁共振技术及其应用共二十八页核磁共振(h c n zhn)实验方法 研究核磁共振(h c n zhn)有两种方法，一是连续波法或称稳 态方法，是用连续的射频场（即旋转磁场B1）作用到核系统上，观察到核对频率的响应信号。另一种是脉冲方法，用射频脉冲作用

10、在核系统上，观察到核对时间的响应信号。脉冲法有较高的灵敏度，测量速度快，但需要进行快速傅里叶变换，技术要求较高。 核磁共振技术及其应用共二十八页核磁共振(h c n zhn)谱仪简介1. 连续(linx)波核磁共振谱仪（CW-NMR） 核磁共振技术及其应用共二十八页2 脉冲(michng)傅里叶核磁共振谱仪（PFT-NMR） 核磁共振技术(jsh)及其应用共二十八页核磁共振(h c n zhn)应用 核磁共振(h c n zhn)技术及其应用核磁共振谱图主要可以得到如下信息：（1）由吸收峰数可知分子中氢原子的种类。（2）由化学位移可了解各类氢的化学环境。（3）由裂分峰数目大致可知各种氢的数目。

11、（4）由各种峰的面积比即知各种氢的数目。共二十八页 核磁共振技术(jsh)及其应用 核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构(fn z ji u)和分子间的关系表现得更加清晰。 在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。 在中国，其应用主要在基础研究方

12、面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。共二十八页一些(yxi)实际的应用分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属(jnsh)离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有机化合物的结构解析表面化学有机化合物中异构体的区分和确定大分子化学结构的分析生物膜和脂质的多形性研究脂质双分子层的脂质分子动态结构生物膜蛋白质脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构

13、分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定 核磁共振技术及其应用共二十八页核磁共振(h c n zhn)在材料科学中的应用金属材料中的应用：研究金属材料中的不完整性，如晶格缺陷、杂质、应变等。磁性材料中的应用：测定材料不同晶格位置上的超精细场，如确定(qudng)电荷和自旋的分布、晶场参数、合金的电子组态和局域磁矩、磁性相变等。高分子等材料的应用： 计算高聚物中各种单体的含量组成，并对聚合物的空间结构十分敏感。还可以研究分子的运动和弛豫，以及交联、降解过程等。 核磁共振技术及其应用共二十八页人体的核磁共振成像仪示意(shy)框图核磁共振成像的优点是：射频电磁波对人体(rnt)无害，可获得内脏器官的功能状态、生理状态以及病变状态的情况等。激发单元接收单元显示单元 计算机 磁体 NMR成像技术 核磁共振技术及其应用用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象共二十八页 核磁共振技术(jsh)及其应用MRI is used for imaging of all organs in the body. 共二十八页Thank You!共二十八页内容摘要核磁共振技术及其应用。核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立(dl)发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物